基于分組差分粒子群算法的含分布式電源配電網(wǎng)故障定位

趙冰杰，賈宏杰，李沐陽，侯 愷，高 晗，李 亮

（1.天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.廈門理工學(xué)院 國際教育學(xué)院，福建 廈門361000；3.國網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司，山西 晉中 030600）

0 引言

目前，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為了世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)[1]，[2]。配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，直接向用戶供電，且包含眾多分布式電源，極易發(fā)生故障[3]，[4]。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障區(qū)間，隔離故障，恢復(fù)非故障區(qū)間的正常供電。其中最重要的難題就是發(fā)現(xiàn)和定位故障，因此在配網(wǎng)自動(dòng)化基礎(chǔ)上，研究含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位 成 為 當(dāng) 今 熱 點(diǎn)[5]，[6]。

粒子群算法是當(dāng)下主流對含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位算法[7]～[12]。文獻(xiàn)[13]提出將粒子群算法應(yīng)用到配電網(wǎng)故障區(qū)間定位中，但該算法存在未成熟時(shí)過早收斂的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[14]將粒子群算法和窮舉法相結(jié)合，將配電網(wǎng)進(jìn)行分層，對于維度大的配電網(wǎng)利用粒子群算法進(jìn)行故障區(qū)間定位，對于維度小的配電網(wǎng)利用窮舉法進(jìn)行故障區(qū)間定位。該算法可有效解決早熟問題，但易使算法陷入局部最優(yōu)。文獻(xiàn)[15]將故障信息畸變修正策略與粒子群算法相結(jié)合，當(dāng)饋線終端裝置（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）上傳的故障電流信息發(fā)生畸變，該算法可以正確分析所上傳的電流信息，并給予修正。但是，該算法同樣容易陷入局部最優(yōu)，計(jì)算時(shí)間變長。文獻(xiàn)[16]提出了差分粒子群算法，該算法通過差分算法和粒子群算法分別對種群進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，最后選擇目標(biāo)函數(shù)值較小的個(gè)體作為種群最優(yōu)解進(jìn)入下一代進(jìn)化計(jì)算。但是，該算法將兩種算法并行計(jì)算，計(jì)算時(shí)間長，準(zhǔn)確性降低。

本文將分組差分粒子群算法應(yīng)用到配電網(wǎng)故障定位中。該算法首先將粒子群進(jìn)行分組，然后更新每組粒子群的速度、位置以及個(gè)體歷史最優(yōu)值、全局最優(yōu)值，最后對每組全局最優(yōu)值進(jìn)行變異、選擇。完成上述操作，將分組粒子群融合成一個(gè)新種群，進(jìn)行循環(huán)操作，直到輸出最優(yōu)解。與其他粒子群算法相比，本文算法避免易陷入局部收斂，且準(zhǔn)確性和快速性得到提高。

1 配電網(wǎng)故障區(qū)間定位模型構(gòu)建

在配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通過FTU可監(jiān)視配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)故障，并對配電網(wǎng)故障進(jìn)行區(qū)間定位。實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間定位，首先應(yīng)對配電網(wǎng)開關(guān)及故障區(qū)間進(jìn)行狀態(tài)編碼，然后構(gòu)建開關(guān)函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)[17]。

1.1 開關(guān)函數(shù)構(gòu)建

配網(wǎng)線路區(qū)間只有正常和故障兩種狀態(tài)，因此，可對配網(wǎng)第x個(gè)線路區(qū)間狀態(tài)Lx編碼為

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，潮流方向是單一的，當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流都是從系統(tǒng)電源側(cè)流向故障點(diǎn)。但對于含分布式電源的配電網(wǎng)，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流是從系統(tǒng)電源側(cè)和分布式電源流向故障點(diǎn)。通過某個(gè)開關(guān)的故障電流可能有兩個(gè)方向，定義從系統(tǒng)電源側(cè)流向故障點(diǎn)的故障電流方向?yàn)檎较?，因此可對配網(wǎng)第m個(gè)開關(guān)狀態(tài)Fm編碼為

開關(guān)函數(shù)表示了故障區(qū)間和開關(guān)狀態(tài)的邏輯關(guān)系，本文研究了含分布式電源的配電網(wǎng)故障區(qū)間定位，需要考慮分布式電源的投切，因此本文定義開關(guān)函數(shù)為

式中：Km為配網(wǎng)第m個(gè)開關(guān)期望狀態(tài)值；Lx為配網(wǎng)第x個(gè)區(qū)間狀態(tài)值；∪為或運(yùn)算；W1為開關(guān)m下游區(qū)間數(shù)，即開關(guān)m到配網(wǎng)線路末端或到終端DG的線路區(qū)間數(shù)；W2為開關(guān)m上游區(qū)間數(shù)，即開關(guān)m到配網(wǎng)系統(tǒng)電源側(cè)線路區(qū)間數(shù)；D為開關(guān)m下游DG個(gè)數(shù)；Qn為開關(guān)m下游第n個(gè)DG是否并網(wǎng)，當(dāng)?shù)趎個(gè)DG并網(wǎng)，則Qn=1，當(dāng)?shù)趎個(gè)DG未并網(wǎng)，則Qn=0。

1.2 目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

目標(biāo)函數(shù)決定了粒子群算法搜索最優(yōu)解的效果。目標(biāo)函數(shù)不僅要適用于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，還應(yīng)適用于含分布式電源的配電網(wǎng)。目標(biāo)函數(shù)的建立須結(jié)合開關(guān)函數(shù)，其值越小，證明開關(guān)期望狀態(tài)值Km與開關(guān)狀態(tài)實(shí)際值Fm的偏移程度越小，因此，針對配電網(wǎng)故障區(qū)間定位傳統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為

式 中：Lx為 配 網(wǎng) 區(qū) 間 狀 態(tài) 量；Km（Lx）為 開 關(guān) 期 望 狀態(tài)量；Fm為開關(guān)狀態(tài)實(shí)際量；b為配網(wǎng)開關(guān)數(shù)。目標(biāo)函數(shù)值Z（Lx）≥0，其值越小證明算法結(jié)果越準(zhǔn)確，當(dāng)Z（Lx）=0時(shí)，得 到 最 優(yōu) 解Lx。

當(dāng)FTU上傳的電流信息Fm發(fā)生畸變時(shí)，會(huì)造成故障區(qū)間的誤判，常用的處理方法是對Fm進(jìn)行信息矛盾判斷，但是該方法增加了算法的計(jì)算量。本文直接計(jì)算Z（Lx）的值，當(dāng)Fm有n個(gè)畸變量時(shí)，Z（Lx）≥n。式（4）可 能 存 在 配 電 網(wǎng) 故 障 區(qū) 間 誤判情況。將式（4）改進(jìn)為

式中：λ為開關(guān)函數(shù)誤判項(xiàng)，λ取值0.5；c為配電網(wǎng)區(qū)間數(shù)。此時(shí)目標(biāo)函數(shù)值Z（Lx）≥0.5+n，n為畸變量。

經(jīng)式（5）處理后，可消除誤判情況。

2 分組差分粒子群算法原理

2.1 分組粒子群算法原理

PSO（Particle Swarm Optimization）算 法 開 始 時(shí)生成初始解，N個(gè)粒子在M維空間中尋找最優(yōu)解。含分布式電源的配電網(wǎng)故障區(qū)間定位，可利用二進(jìn)制粒子群算法實(shí)現(xiàn)[18]。在二進(jìn)制粒子群算法中，粒子的位置LOX取值為0或1；粒子的速度VOX即LOX取0或1的概率，速度VOX越大，LOX取1的概率越大，反之LOX取0的概率越大。速度和位置的關(guān)系可通過sigmoid函數(shù)表示。因此，二進(jìn)制粒子群算法的速度更新公式和位置更新為

式中：r為收縮因子；ω為慣性因子；k1，k2為學(xué)習(xí)因 子；d1，d2為（0，1）內(nèi) 的 隨 機(jī) 數(shù)；LOXbest1（t）為 個(gè) 體歷 史 最 優(yōu)；LOXbest2（t）為 種 群 全 局 最 優(yōu)；COX（t+1）為[0，1]內(nèi) 的 隨 機(jī) 數(shù)。

對于粒子群算法，學(xué)習(xí)因子k1，k2可直接決定速度更新公式的收斂程度。當(dāng)k1較大時(shí)會(huì)造成粒子群在局部徘徊，當(dāng)k2較大時(shí)會(huì)使粒子群陷入局部最優(yōu)。此外，當(dāng)個(gè)體粒子在個(gè)體歷史最優(yōu)和全局最優(yōu)接近時(shí)，更新速度變得極其緩慢。本文在粒子群算法中引入分組概念，對粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)。

首先計(jì)算N個(gè)粒子的目標(biāo)函數(shù)值，從小到大排序，將N個(gè)粒子每隔f個(gè)粒子分為h組，即：

按照上述排序?qū)αＷ尤涸龠M(jìn)行分組，式（10）中目標(biāo)函數(shù)最大值分為一組，第二大值分為一組，以此類推，最小值分為一組，即：

通過上述分組，原粒子群分為f組，每組均可代 表 原 種 群 的 特 性，然 后 通 過 式（6），（7）對 分 組 粒子群進(jìn)行速度和位置更新。當(dāng)分組粒子群尋優(yōu)結(jié)束后，再將分組粒子群融合成一個(gè)種群進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)排序，進(jìn)行第二次尋優(yōu)，直到尋優(yōu)結(jié)束。通過分組粒子群尋優(yōu)，可以保證原粒子群的種群多樣性的延續(xù)，不易使種群陷入局部最優(yōu)，使粒子群算法的準(zhǔn)確性和容錯(cuò)性得到提高。

2.2 差分算法原理

為了進(jìn)一步避免粒子群陷入局部最優(yōu)，本文引入差分算法。

首先確定分組粒子群中的最優(yōu)粒子Pbest，并隨 機(jī) 選 取 兩 個(gè) 粒 子Pb1，Pb2進(jìn) 行 變 異 操 作。Pbest，Pb1，Pb2在M維空間中的位置為

確定Lb1，Lb2的海明距離h，計(jì)算Lbest需要變異的維數(shù)m。

式中：H為縮放后的海明距離；s為縮放因子，s取值 為[0，2]隨 機(jī) 數(shù)；rand[0，1]為[0，1]內(nèi) 的 隨 機(jī) 數(shù)；int（H）為H向 下 取 整 數(shù)。

通過式 （15）計(jì)算得到Lbest需要變異的維數(shù)m，然后對Lbest的m維進(jìn)行變異，若m維Lbest為1，則 變 異 成0；若m維Lbest為0，則 變 異 成1，得 到變異粒子Lb。

最后對變異粒子Lb和最優(yōu)粒子Lbest進(jìn)行選擇操作。

式 中：Z（Lb）和Z（Lbest）為 粒 子 的 目 標(biāo) 函 數(shù) 值，選 擇目標(biāo)函數(shù)值較小的粒子作為下一代粒子個(gè)體Lcx。

2.3 算法求解流程

通過分析分組粒子群算法和差分進(jìn)化算法，可得到基于混合算法的配電網(wǎng)故障區(qū)間定位方法的求解流程，如圖1所示。

圖1 分組差分粒子群算法流程圖Fig.1 The flow chart of packet difference particle swarm optimization

圖中：N為種群規(guī)模；T為迭代次數(shù)，初次迭代次數(shù)t=1；ω為慣性系數(shù)；λ為誤判系數(shù)。

3 算例分析

本文以圖2含光伏、風(fēng)電的IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真測試，對分組差分粒子群算法、粒子群算法、遺傳算法、蟻群算法、退火算法進(jìn)行了對比分析。本文設(shè)置故障包含了DG是否并網(wǎng)、FTU上傳信息發(fā)生畸變、單個(gè)或多個(gè)故障區(qū)間等各種情況。實(shí)際工程中配電網(wǎng)故障90%以上均為單相接地故障，因此本文的故障特指該類故障。

圖2 含分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.2 Distribution network system with distributed power supply

本文分組差分粒子群算法參數(shù)設(shè)置如下：種群規(guī)模N=50，迭代次數(shù)T=50，學(xué)習(xí)因子k1=k2=2.3，慣 性 系 數(shù) ω=0.5，f=5，h=10，誤 判 系 數(shù) λ=0.5，縮放因子s=0.8，目標(biāo)函數(shù)初始值Z=5。算法尋優(yōu)代數(shù)對比如圖3所示。故障類型如表1所示。算法定位結(jié)果如表2～6所示。配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖3 算法尋優(yōu)代數(shù)對比Fig.3 Algorithm optimization algebra comparison

圖4 配電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Distribution network topology diagram

表1 故障類型Table1 Fault type

由表2～6可知，通過對比多種算法的尋優(yōu)結(jié)果，分組差分粒子群算法的準(zhǔn)確性和快速性均得到極大提高，同時(shí)該算法可以改善其他算法陷入局部最優(yōu)的不足。

表2 分組差分粒子群算法定位結(jié)果Table2 The result of packet difference particle swarm optimization

表3 粒子群算法定位結(jié)果Table3 The result of particle swarm optimization

表4 遺傳算法定位結(jié)果Table4 The result of genetic optimization

表5 蟻群算法定位結(jié)果Table5 The result of ant clony optimization

表6 退火算法定位結(jié)果Table6 The result of simulated annealing optimization

分組差分粒子群算法是在粒子群算法的基礎(chǔ)上引入差分算法和分組概念，算法每次迭代計(jì)算時(shí)間變長，但是相較于上述其他算法，分組差分粒子群算法的尋優(yōu)代數(shù)可控制在20次以內(nèi)，迭代次數(shù)明顯降低。對于IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)，分組差分粒子群算法的迭代次數(shù)可降低到30次，從而提高了故障定位的尋優(yōu)速度。此外，將分組差分粒子群算法應(yīng)用到實(shí)際工程中時(shí)，面對復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)，該算法可能在已設(shè)置的迭代次數(shù)中無法計(jì)算出準(zhǔn)確的結(jié)果，因此可以通過提高算法迭代次數(shù)來提高算法的計(jì)算準(zhǔn)確率。相較與其它算法，在同時(shí)增加迭代次數(shù)的基礎(chǔ)上，分組差分粒子群算法仍能保證準(zhǔn)確性和快速性。

本文依托配網(wǎng)自動(dòng)化平臺(tái)對分組差分粒子群算法進(jìn)行了驗(yàn)證，圖5為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)設(shè)置故障區(qū)間為S9～S13，通過該算法計(jì)算得到的故障區(qū)間介于S9配電開關(guān)和S13配電開關(guān)之間，進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法應(yīng)用于實(shí)際工程的可行性。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental resul

4 結(jié)論

針對粒子群算法在含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位時(shí)易陷入局部最優(yōu)的問題，本文提出了分組差分粒子群算法，該算法通過分組思想，巧妙的將差分算法應(yīng)用到粒子群算法中。仿真算例表明，分組差分粒子群算法的尋優(yōu)迭代次數(shù)明顯降低，跳出局部最優(yōu)的能力極強(qiáng)，準(zhǔn)確性和快速性得到提高。最后通過配網(wǎng)自動(dòng)化平臺(tái)對所提算法進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了該算法應(yīng)用于實(shí)際工程的可行性。